Variables Multiphasen-Konzept für automobile Anwendungen
Leistung ohne Ende
Fortsetzung des Artikels von Teil 2
Leistung ohne Ende
Hier liegt die Herausforderung für Hochleistungs-Stromversorgungen mit DC/DC-Wandlern: Einerseits soll eine hohe Ausgangsleistung bei optimalem Wirkungsgrad und kleiner Bauform erzielt werden, andererseits sollen möglichst kostengünstige Standard-Bauteile Verwendung finden.
Eine Alternative zu Standard-Topologien, die jeweils nur eine Phase nutzen, bieten mehrphasige Anordnungen. Dabei werden mehrere kleinere, identische Wandler parallelgeschaltet, die einen gemeinsamen Ausgang speisen. Ihre Ansteuerung erfolgt mit gleichmäßigem zeitlichem Versatz zueinander. Dadurch teilen sich die Verluste auf mehrere Bauteile auf, und die belastenden Wechselstromanteile werden durch die Überlappung der Phasenströme reduziert.
Aus der Spannungsversorgungstechnik für moderne Hochleistungsprozessoren und Speicher sind Mehrphasen-Konverter bereits bekannt. Allerdings handelt es sich dabei um Stepdown-Konverter, die mit zwei, vier oder mehr Phasen die benötigten kleinen Spannungen und hohen Ströme bereitstellen.
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Für Step-up-Konverter stellt sich die Regelung aufwendiger dar. Wegen der Toleranzen der induktiven Bauelemente muss in jeder Phase der Momentanstrom gemessen und der Treiber bei Erreichen einer definierten Schwelle abgeschaltet werden. Bei einer einfachen Ansteuerung mit gleichen Einschaltzeiten für alle Phasen ist der Strom beim Abschalten umgekehrt proportional zur Phasen-Induktivität, die übertragbare Leistung ist aber proportional zum Quadrat dieses Stroms. Mit der Einzelphasen-Strommessung lassen sich insbesondere „thermal runaway“-Effekte, bedingt durch die Temperaturabhängigkeit der Induktivitäten, vermeiden.
Die Abschaltung bei Erreichen eines vorgegebenen Stromwertes jeder einzelnen Phase wird als innerer Regelkreis bezeichnet (Bild 2). Der Schwellwert dazu wird vom Fehlerverstärker des äußeren Regelkreises vorgegeben, der die Ausgangsspannung oder den Laststrom mit einer präzisen Referenz vergleicht. Die Genauigkeit der Regelung wird bestimmt durch die Toleranz dieser Referenz, die Offset-Spannung des Regelverstärkers und die Präzision des externen Spannungsteilers bzw. Shunt-Widerstandes. Mit 1 % Toleranz der externen Komponente(n) werden bei der Spannungsregelung gegen die interne Referenz von 1,2 V ohne Abgleich ±2,5 % erreicht, bei Stromregelung gegen die niedrigere Referenz von 200 mV sind es ±5 %.
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